1分鐘物理2：皮卡丘發的是直流電還是交流電？ (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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中國科學院物理研究所

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物理學奇妙之旅：從微觀粒子到宇宙奧秘 本書旨在帶領讀者深入探索物理學的核心概念與迷人現象，涵蓋從日常生活中的簡單力學到宇宙深處的宏大結構。我們緻力於以清晰、生動的語言，揭示隱藏在自然界背後的基本規律，激發讀者對科學探索永無止境的好奇心。 第一部分：運動與力——經典物理學的基石 本部分將聚焦於牛頓力學，這是理解物體如何運動的基礎。我們將從最基本的概念入手，如位移、速度和加速度，逐步過渡到描述物體受力後狀態變化的動力學原理。 1. 運動學的幾何描述 我們首先探討如何精確地描述物體的位置變化。本章將詳細解析標量與矢量，區分瞬時速度與平均速度。通過大量的實例分析，讀者將掌握如何利用微積分的初步思想來處理速度與加速度的非恒定變化情況，例如，物體在重力作用下的拋體運動分析，以及圓周運動中嚮心力的本質。重點在於建立起“位置—時間”圖和“速度—時間”圖的直觀聯係。 2. 牛頓定律的威力 牛頓三定律是整個經典力學的核心支柱。第一定律（慣性定律）將幫助我們理解力與運動狀態改變之間的關係。第二定律 ($mathbf{F} = mmathbf{a}$) 將作為核心工具，用於定量分析物體所受閤力與其運動變化率之間的關係。我們將深入討論質量的定義，區分慣性質量與引力質量。第三定律（作用力與反作用力）則引導我們觀察相互作用的普遍性。 3. 功、能與守恒律 能量是物理學中最基本、最核心的概念之一。本章將定義“功”的概念，並闡述動能定理——功與動能的變化量之間的關係。隨後，我們將引入勢能的概念，如重力勢能和彈性勢能，並深入探討機械能守恒定律。守恒定律的強大之處在於，即使在復雜係統中，隻要滿足特定條件（保守力做功），我們就能預測係統的最終狀態，而無需追蹤每一步的詳細過程。此外，我們將討論非保守力（如摩擦力）如何影響能量轉化，並引齣熱力學中的能量觀點。 4. 動量與碰撞 動量是描述物體運動狀態的另一個重要物理量。本章將詳細分析動量守恒定律的應用，特彆是在涉及碰撞、爆炸等相互作用的短時間過程中的重要性。我們將區分完全彈性碰撞和非彈性碰撞，並探討動量守恒在火箭推進等工程應用中的體現。 5. 振動與波 振動是自然界中最普遍的現象之一，從鍾擺的擺動到分子內部的振動。本章將聚焦於簡諧振動（SHM），推導齣其運動方程，並分析彈簧振子和單擺的特性。在此基礎上，我們將概念延伸到波的傳播，區分橫波與縱波，深入理解波的疊加原理、乾涉與衍射現象，為後續學習波動光學和聲學打下堅實基礎。 第二部分：場論——從引力到電磁場 經典物理學的偉大成就體現在對場現象的描述上，本部分將引導讀者探索塑造宇宙結構和驅動現代技術發展的兩大基本場：引力場和電磁場。 6. 萬有引力：宇宙的編織者 本章從開普勒定律齣發，最終導嚮牛頓的萬有引力定律。我們將詳細分析引力場的概念，以及如何利用高斯引力定律來計算具有特定對稱性的物體的引力場分布。我們將討論引力勢能，並展望愛因斯坦的廣義相對論如何修正牛頓理論，解釋水星近日點的進動等現象。 7. 靜電學：電荷的奧秘 我們將從電荷的基本性質（電荷守恒、電荷的量子化）開始，引入庫侖定律。電荷場是矢量場，我們將使用電場強度來描述它。本章的重點是電場的疊加原理和高斯電場定律，後者是求解靜電場問題的有力工具。通過分析電荷在電場中受到的力，我們將自然過渡到電勢的概念，將復雜的電場問題轉化為更易於處理的標量勢能問題。 8. 電路的電流與磁場 本章將從穩恒電流開始，介紹歐姆定律、電阻的串聯與並聯。隨後，我們將引入磁場。磁場與電荷的運動相關聯，洛倫茲力公式將是描述磁場對運動電荷作用的核心。我們將探索電流産生的磁場，利用安培定律來求解穩恒電流磁場問題。 9. 電磁感應與麥剋斯韋方程組 法拉第電磁感應定律揭示瞭變化的磁場如何産生電場，這是發電機和變壓器工作的物理基礎。本章將整閤所有電磁現象——靜電場、穩恒電流、磁場和電磁感應——最終匯集於偉大的麥剋斯韋方程組。這組方程不僅完美地統一瞭電與磁，更預言瞭電磁波的存在及其傳播速度，為我們理解光本質提供瞭鑰匙。 第三部分：熱力學與統計物理——宏觀與微觀的橋梁 熱力學是研究能量轉換和物質宏觀性質的學科，而統計物理則試圖從微觀粒子的隨機運動中解釋這些宏觀規律。 10. 熱學基礎與氣體定律 本章介紹溫度的概念及其測量。我們將從經驗氣體定律（如玻意耳定律、查理定律）齣發，最終推導齣理想氣體狀態方程 $PV=nRT$。我們將深入探討宏觀量如壓強和溫度的統計學意義——壓強是大量分子撞擊器壁的宏觀體現，而溫度則正比於分子平均平動動能。 11. 熱力學定律 熱力學定律是物理學中最具普適性的定律之一。第一定律是能量守恒定律在熱力學過程中的錶達，涉及內能、熱量和功。第二定律引入瞭熵（Entropy）的概念，定義瞭過程的方嚮性，闡述瞭“孤立係統中的熵永不減少”的宇宙趨勢。第三定律則指齣瞭絕對零度的不可達到性。我們將應用這些定律分析熱機的工作效率（卡諾循環）。 12. 統計力學的視角 本章開始構建微觀與宏觀之間的橋梁。我們將探討麥剋斯韋-玻爾茲曼速度分布，理解為什麼氣體分子具有不同的速度。通過對分子平均自由程、平均碰撞時間和平均平動動能的計算，讀者將能用分子的運動來解釋宏觀的熱力學現象，如擴散和熱傳導。 第四部分：現代物理的曙光——量子世界與相對論 進入20世紀，人類對時間和空間、物質和能量的認識被徹底顛覆，本部分介紹支撐現代科技的兩大革命性理論。 13. 光的粒子性與物質的波動性 本章將迴顧經典物理學在解釋黑體輻射和光電效應時遭遇的睏境。普朗剋的量子假說（能量量子化）和愛因斯坦的光子概念（光的粒子性）是如何解決這些難題的。隨後，德布羅意提齣物質波的假設，指齣電子等粒子也具有波動性，這為量子力學的建立奠定瞭基礎。 14. 量子力學的基本概念 我們將介紹波函數的概念及其概率解釋（玻恩詮釋）。薛定諤方程，作為量子力學的核心動力學方程，將被引入，雖然不進行復雜求解，但會解釋其在描述粒子行為中的作用。我們將討論不確定性原理——對粒子位置和動量之間固有模糊性的深刻理解。通過對“無限深勢阱”等簡單模型的分析，讀者將領略量子化能級的奇特景象。 15. 狹義相對論：時空的革命 狹義相對論建立在兩條基本假設之上：光速不變原理和相對性原理。本章將探討其帶來的顛覆性結論：時間和空間的相對性。我們將推導洛倫茲變換，理解時間膨脹和長度收縮的現象。最重要的成果之一是質能方程 $E=mc^2$，揭示瞭質量與能量的內在等價性，為核物理學奠定瞭理論基礎。 16. 原子結構與核物理初步 從盧瑟福的原子核模型開始，我們將介紹玻爾模型，理解電子的定態和能級躍遷。隨後，我們將簡要介紹原子核的結構，探討核力的特點以及放射性衰變（α, β, γ衰變）的規律。最後，我們將簡單介紹核裂變和核聚變的概念，它們是理解恒星能量來源和核能利用的關鍵。 本書旨在提供一個全麵而連貫的物理學框架，幫助讀者理解自然界從宏觀到微觀的運作機製，為進一步深入學習專業物理學打下堅實的基礎。